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耐高温双线圈结构电磁超声换能器设计

时间: 2023-12-16 21:19:22 |   作者: 爱游戏电竞app

  金属材料高温条件下产生的厚度改变、裂纹、腐蚀、气孔等缺陷，会使高温部件存在安全风险隐患。电磁超声技术是一种非接触式无损害地进行检测技术，利用电磁耦合方式激励和接收超声波

  ；2）随着试件温度的升高，介质密度减小，声波在介质内传播时，与晶粒的散射作用变强，导致声波在介质中的传播衰减增大

  4）对于永磁体结构EMAT和脉冲电磁铁式EMAT，300℃以上永磁体或电磁铁芯退磁，需对换能器进行冷却，这某些特定的程度上增大了EMAT结构复杂程度和体积，降低了恶劣工况长期在线]。本文针对永磁体结构EMAT和脉冲电磁铁结构EMAT，难以在高温等恶劣条件下进行在线检测的问题，提出一种耐高温双线圈结构EMAT设计方法。首先，采用有限元软件建立双线圈结构EMAT二维多物理场模型，仿真分析励磁线圈设计参数对磁场分布特征影响规律。然后，通过实验研究励磁线圈和涡流线圈的配置关系对电磁超声换能效率的影响。最后，根据仿真和实验结果，设计耐高温双线圈结构EMAT，并对室温到450℃不锈钢试件进行在线 双线圈结构EMAT场分布特征1.1 基础原理双线圈结构EMAT本质上相当于无铁芯结构脉冲电磁铁式EMAT，这势必会降低脉冲磁场强度。为此，本文采用自主开发的大功率脉冲磁场激励源，弥补双线圈结构EMAT脉冲磁场强度弱的问题。脉冲磁场激励源的指标为：最大输出电流为2kA；励磁场强度大于1T。双线圈结构EMAT基本结构示意图如

  所示，由励磁线圈、涡流线圈和试件组成。励磁线圈产生励磁电流和涡流线圈收发超声波的过程示意如图 1(b)所示。其中，励磁线圈用于提供毫秒级脉冲磁场，涡流线圈用于激发和接收MHz级电磁超声信号。

  对于非铁磁性金属试件，电磁超声换能机理仅为洛伦兹力机理。电磁超声波发射过程中，涡流线圈中的高频脉冲电流在试件集肤层内产生交变磁场和涡流，涡流分别与交流磁场和励磁线圈产生的脉冲磁场作用产生洛伦兹力，如

  所示。洛伦兹力驱动试件集肤层内质点做高频振动，进而产生超声波。超声波接收是其发射的逆过程。

  本文采用有限元软件COMSOL Multiphysics建模和仿真分析双线圈结构EMAT发射过程。模型计算包括稳态电磁场计算和时域结构力场计算两部分。COMSOL的“Magnetic Fields”模块用于计算磁场分布，“Structural Mechanics”模块用于仿真声波的产生和传播。

  所示。其中，励磁线 Hz半正弦信号，峰值电流为1kA；涡流线的Tone-burst信号，其他模型参数如

  中，励磁线，对应的横波与纵波幅值比分别为6.09、4.32、2.06。随着励磁线圈内径与涡流线圈直径比值的减小，试件中的横波与纵波的幅值比逐渐减小。因此，在进行双线圈结构EMAT设计中，为抑制纵波及其模式转换波对回波信号的干扰，应增大励磁线圈内径与涡流线圈直径的比值。图 3D/d不同时，3μs时刻得到的声场分布仿线

  Sound field distribution simulation results obtained at 3μs with different

  在建立双线圈结构EMAT有限元模型的基础上，对励磁线圈电磁特性进行仿真分析；并采用实验方式，对不一样的温度下涡流线圈电参数做测量。通过研究励磁线圈内孔直径和提离距离变化对试件表面磁通密度分布的影响规律，以及通过研究高温下涡流线圈电参数改变规律，以指导双线圈结构EMAT参数设计。

  图 4(a)可知，随着提离距离的增大，励磁线圈内孔下方垂直磁通密度逐渐减小，且磁通密度分布发生一定改变。在0.5~2mm提离距离下，磁通密度分布均匀；而在4~8mm提离距离下，磁通密度最大值在中心轴位置，随着距离中心轴位置变大，磁通密度逐渐减小。

  中，在0.5~2mm提离距离下，励磁线圈内孔下方垂直磁通密度分布不均匀，中心轴位置处磁通密度小于邻近位置；而在4~8mm提离距离下，励磁线圈内孔下方垂直磁通密度分布均匀。

  可知，随着提离距离的变大，磁通密度逐渐减小，且小孔径励磁线圈垂直磁通密度变化受提离影响更明显。在0.5mm提离距离下，10mm和30mm孔径励磁线圈的垂直磁通密度分别为-2.01T和-1.2T，二者比值为1.67；而在8mm提离距离下，10mm和30mm内孔励磁线圈的垂直磁通密度分别为-1.04T和-0.9T，二者比值为1.16。

  综上所述，小孔径励磁线圈产生的垂直磁通密度大于大孔径励磁线圈，但小孔径线圈磁通密度对提离距离敏感，随着提离距离的变大，磁通密度下降更快。因此，在励磁线圈参数设计中，当为获得更大的磁场强度时，应减小励磁线圈孔径；而当需要较大提离距离的情况下，则应适当增大励磁线圈孔径，以保证励磁线圈内孔下方垂直磁通密度分布均匀。

  为保证EMAT检测精度，涡流线圈激励频率通常为MHz级。在MHz频率下，涡流线圈电参数(交流电阻和电感)的改变，会导致EMAT硬件电路输出阻抗发生较为显著地改变，进而降低硬件电路输出功率。

  EMAT在高温检测环境下，涡流线圈和待测试件电导率均会发生改变，进而引起涡流线圈电参数的改变。为此，本节采用HIOKI 3532-50 LCR表，实验测量高温下双线圈结构EMAT涡流线圈电参数。其中，涡流线 mm的陶瓷片，并放置于加热台上加热，待试件上表面温度与涡流线圈温度相同时，采用LCR表进行涡流线圈电参数测量。

  可知，随着涡流线圈温度的升高，涡流线圈交流电阻逐渐升高。产生这一现象的原因是，随着温度的升高，涡流线圈电导率降低，进而引起涡流线圈交流电阻增大。

  可知，涡流线圈电感随着气温变化，呈现先缓慢降低而后逐渐升高的趋势。在常温和400℃时，比较涡流线MHz的电感变化率分别为14.3%、14.9%、15.1%、14.4%。为此，在进行高温检测时，为提高EMAT输出功率，可采取如下方式：1）在不改变硬件电路的条件下，经过测量EMAT工作时候的温度下涡流线圈电参数，进行涡流线）在不改变涡流线圈设计参数的条件下，在硬件电路和EMAT之间增加阻抗匹配调节电路。

  在耐高温双线圈结构EMAT设计中，除了要考虑励磁线圈设计参数外，还应该要考虑励磁线圈与涡流线圈配置关系对EMAT换能效率影响。本文涡流线，对应的线mm，涡流线mm孔径励磁线mm圆形试块。

  为双线圈结构EMAT实验平台。实验平台包括：硬件电路、耐高温双线圈结构EMAT、示波器、稳压源、加热台。电磁超声硬件电路由励磁电路、发射电路和接收电路组成。电磁超声励磁电路具备输出1 kA励磁电流能力；电磁超声发射电路产生4MHz，周波数为3的Tone-burst信号。电磁超声接收电路负责对信号进行放大和滤波，放大能力为100dB；滤波器为带通滤波器，中心频率为3 MHz，截止频率分别为1 MHz和5 MHz；接收电路输出端与示波器相连，接收信号在经过4次求平均值处理后保存。

  不同励磁线圈孔径和涡流线圈匝数下，耐高温双线圈结构EMAT接收信号如图 8所示。图 8(a)

  中，涡流线时，接收信号中噪声不明显；而线匝时，接收信号中噪声显著地增强。考虑产生这一现象的因素可能有：1）涡流线mm，励磁线mm，励磁线圈内径小于涡流线圈直径，在接收信号中出现了明显的纵波干扰；2）部分涡流线圈和励磁线圈发生重叠，引起涡流线圈电感参数改变，导致电磁超声发射电路与涡流线圈阻抗不匹配，最终涡流线圈输出波形发生一定畸变。

  Received signal waveform of the double coil structure EMAT under different magnetic coil inner diameter and eddy current coil turns

  可知，电磁超声换能效率并不随线圈匝数增加而增加，最佳的换能效率存在固定线(b)

  中，涡流线匝时，得到的接收信号信噪比较好，对应的首波峰值电压分别为0.51V和0.485V，二者的比值为1.05，十分接近。产生这一现象的原因是，小孔径的励磁线圈虽然提供了更大的励磁场，但由于涡流线圈匝数少，又降低了EMAT接收信号强度，最后二者接收回波信号强度基本相同，是由励磁线圈和涡流线圈共同作用的结果。

  综上所述，本文为减小换能器实物体积，选取15 mm孔径励磁线匝涡流线圈的参数进行耐高温双线圈结构EMAT设计。

  为确认双线圈结构EMAT对高温金属在线节提到的实验平台做实验验证。耐高温双线圈结构EMAT设计参数为：励磁线 mm、涡流线周波Tone Burst信号，试件为304不锈钢，直径40 mm、厚10mm圆形试块，其他模型参数与

  实验中，耐高温双线圈结构EMAT固定在不锈钢试件上表面，通过调节加热时间，保证EMAT涡流线圈与试件上表面温度相同。采用接触式热电偶对试件表面测温，当加热台的台面温度为500℃时，对应10mm厚度不锈钢试件上表面温度为450℃。本次高温实验共历时约3h，期间EMAT一直置于高温试件上，实验结束后，换能器结构完整，能够继续正常工作。

  可知，横波到达时间随着温度上升而逐渐增加，即横波波速随温度上升而减小，产生原因是气温变化引起了材料弹性模量、泊松比和密度的改变。

  综上所述，本文提出的耐高温双线圈结构EMAT，对室温到450℃不锈钢试件实现了多次回波信号采集，具备对高温金属进行在线检测的能力。符合《无损害检验测试电磁超声脉冲回波式测厚方法》国标征求意见稿中EMAT适用于350℃以上超高温检测需求。本文经过实验发现，目前硬件电路和换能器构成的检测系统，能够在450℃恒温条件下可靠工作，能够对900℃试件瞬时检测，高温极限耐受能力与硬件电路输出功率以及换能器的耐高温绝缘封装有关，课题组后续将对该新型结构的耐高温应用极限范围与工程化等问题开展进一步研究。

  1）耐高温双线圈结构EMAT，随着励磁线圈内径与涡流线圈直径比值的减小，试件中的横波与纵波的幅值比逐渐减小。因此，在进行双线圈结构EMAT设计中，为抑制纵波及其模式转换波对回波信号的干扰，应增大励磁线圈内径与涡流线）小孔径励磁线圈产生的垂直磁通密度大于大孔径励磁线圈，但小孔径线圈磁通密度对提离距离敏感，随着提离距离的变大，磁通密度下降更快。因此，在励磁线圈参数设计中，为获得更大的磁场强度，应减小励磁线圈孔径；而在需要较大提离距离的情况下，则应适当增大励磁线圈孔径，以保证励磁线圈孔径下方垂直磁通密度分布均匀。

  3）对于15mm和25mm孔径的励磁线圈，涡流线匝时，得到的接收信号幅值和信噪比较好。本文为减小换能器实物体积，选取了15mm孔径励磁线匝涡流线圈参数进行耐高温双线圈结构EMAT设计。4）依照本文提出的耐高温双线圈结构EMAT，对室温到450℃不锈钢试件实现了多次回波信号采集，具备对高温金属进行在线检验测试能力。